Методы и средства измерения в волоконно-оптических системах связи

3 9

но, в первую очередь необходима линейность характеристики фотоприемника.

Этап 2: выполнение измерений

á

Рис. 2.3. Измерение затухания методом вносимых потерь: à — калибровка; á — измерение

Для определения затухания сигнала в кабельной системе линии и отдельных ее компонентах используются измерители оптических потерь (оптические тестеры). Оптическими тестерами называют приборы, в которых используются согласованные пары источник излучения — приемник (измеритель оптической мощности). Перечисленные в подразд. 2.4 приборы для измерения абсолютной мощности могут быть использованы и для измерения затухания. Основные технические характеристики некоторых оптических тестеров приведены в табл. 2.2.

Для расширения функциональных возможностей измерители оптической мощности обычно дополняются источником излучения, что и позволяет использовать их для измерения потерь в волокне или вносимых потерь.

4 1

3. Измерение числовой апертуры

Числовая апертура является одной из важнейших оптикогеометрических характеристик волоконного световода и важным измеряемым параметром, так как световод должен обеспечивать распространение потоков излучения, входящих под максимально большим углом к его продольной оси [1, 4, 6]. На рис. 3.1 показаны продольное осевое сечение ступенчатого волокна и процесс распространения световых лучей в рамках геометрической оптики.

Рис. 3.1 Распространение световых лучей в волоконном световоде

При попадании светового луча на торец оптического волокна (ОВ) в нем могут появиться три типа световых лучей: направляемые (лучи 1, 2, 3), вытекающие — лучи оболочки (луч 4), и излучаемые, которые излучаются из оболочки в окружающее пространство (луч 5). Очевидно, что излучаемые и вытекающие волны — это паразитные волны, приводящие к рассеиванию энергии и искажению информационного сигнала.

Направляемые лучи в зависимости от траектории следует разделить на меридианные и косые световые лучи. Траектория меридианных лучей лежит в плоскости, проходящей че- рез ось волокна, и имеет зигзагообразный вид (лучи 2, 3). Косые лучи распространяются по спиралеобразной траектории, проекция которой на поперечное сечение волокна имеет вид правильного незамкнутого треугольника.

4 2

Меридианные световые лучи характеризуются углом падения на оболочку θì, образованным лучом и нормалью к оси волокна. Критический режим соответствует условию

ãäå θêð — угол полного внутреннего отражения; nc, nu — показатели преломления сердцевины и оболочки соответственно.

При выполнении условия θì <θêð луч распространяется вдоль серцевины волокна и может обеспечить передачу сигнала на большие расстояния.

Óãîë θa между оптической осью и одной из образующих светового конуса — лучей, падающих на торец оптического волокна, для которых в дальнейшем выполняется условие полного внутреннего отражения, носит название апертуры ОВ. Физически апертура характеризует эффективность ввода оптического излучения в волокно, а для ее числовой оценки используется понятие номинальной числовой апертуры (Numerical Aperture), значение которой для ступенчатого оптиче- ского волокна определяется выражением

ãäå n0 — показатель преломления окружающей среды, для воздуха n0 = 1.

В соответствии с законом Снеллиуса для лучей на входном торце оптического волокна можно записать

n0 sin θa = nc sin (π2 − θêð ),

и, учитывая, что

θêð = arcsin (nu nc ),

выражение для номинальной числовой апертуры примет вид

ãäå = (nc2 − nu2 )2nc2 ≈ (nc − nu )nc называется относительной

разностью показателей преломления сердцевины и оболочки оптического волокна.

Из последнего выражения видно, что с увеличением разности показателей преломления сердцевины и оболочки значе- ние NA возрастает и, следовательно, улучшается эффективность ввода излучения в оптическое волокно.

4 3

Полученное выражение учитывает только меридианные лучи, в то время как в оптическом волокне в основном имеют место косые лучи с гораздо более сложной траекторией распространения. Получить простое выражение для числовой апертуры косых лучей не удается. Однако отметим, что апертура, вычисленная по выражению (3.3) для меридианных лу- чей ступенчатого волокна, меньше действительной апертуры, учитывающей все введенные лучи.

В градиентных оптических волокнах числовая апертура непостоянна по сечению сердцевины волокна. Для градиентных волокон вводится понятие локальной числовой апертуры

Излучение, падающее на торец градиентного волокна в точке r, будет распространяться, только если в этой точке оно окажется в пределах локальной числовой апертуры NA(r). Оче- видно, что при r = 0, т.е. при вводе излучения вдоль оси волокна, локальная числовая апертура равна номинальной. При удалении от оси в градиентном волокне уменьшается и локальная числовая апертура NA(r).

Таким образом, эффективная числовая апертура градиентного волокна оказывается меньшей, чем у ступенчатого. Для наиболее распространенного градиентного волокна с параболическим профилем показателя преломления числовая апертура определяется выражением

Апертура представляет интерес и может явиться предметом измерений в основном применительно к многомодовым волокнам, поскольку равенство числовых апертур источника излучения, оптического волокна и приемника излучения является одним из необходимых условий достижения малых потерь при их соединениях.

Для измерения числовой апертуры волокна обычно определяют апертурный угол θa. Апертурный угол можно определить на основании измерений угловой характеристики излу- чения волокна. Для этого в отрезок волокна длиной не менее нескольких метров вводится через смеситель мод и фильтр оболочечных мод излучение от лазера. На выходе волокна на расстоянии 10–20 см от торца под различными углами к оси

4 5

Коллимированный пучок лазера 1 фокусируется системой 2 на входной торец исследуемого волокна 4, закрепленного на поворотном столике 3. Стол вращается вокруг оси, перпендикулярной оси симметрии волокна. Выходной торец волокна рассматривается через микроскоп 5. Четкое кольцо на границе сердцевины и оболочки наблюдается при определенном угле падения, который фиксируют.

Вращая стол в ту сторону, при которой ярко светится сердцевина, до момента появления такого же кольца, снова фиксируют угол. Полусумма этих двух углов определяет апертурный угол. Метод применим в основном для многомодовых волокон с диаметром больше 1 мм. Это связано с трудностями ввода оптического излучения под меняющимся углом в волокно меньшего диаметра.

4 6

4. Измерение диаметра модового поля

Одной из основных характеристик одномодового волокна является распределение интенсивности светового поля в поперечном сечении на выходе волокна, определяемое еще как модовое пятно [1].

Распределение поля основной моды как для градиентных, так и для ступенчатых волокон вблизи длины волны отсечки с хорошей точностью можно аппроксимировать функцией Гаусса. При выполнении этого условия диаметр модового пятна можно определить как расстояние между двумя точками, в которых измеренная интенсивность света составляет уровень в e2 раз меньший уровня максимальной интенсивности. Распределение интенсивности светового излучения на выходе из волокна показано на рис. 4.1.

2w(z)

2w0

Источник

Фронт волны

Рис. 4.1. К определению распределения интенсивности светового излучения на выходе из волокна

На рис. 4.1 через z обозначено расстояние, измеряемое в направлении распространения, w(z) — радиус луча, w0 — радиус излучающей области на выходе волокна.

При этом на любом расстоянии z радиус луча w(z) определяется выражением [1]

Особенностью гауссова светового пучка является то, что он полностью определяется только двумя показателями: радиусом светового пучка w0 и длиной световой волны λ. Поэтому характеристики излучения, в частности распределение интенсивности светового поля на выходе волокна, могут быть определены исходя из измерений размеров светового пятна в дальней зоне. Анализ интенсивности излучения на некотором расстоянии от торца волокна позволяет осуществить подсчет эффективности соединения одномодового волокна с другими оптическими компонентами линии связи.

Другой метод измерения диаметра модового поля — метод ближнего поля — обеспечивает прямое измерение диаметра модового поля. Метод основан на измерении диаметра модового пятна на выходном торце одномодового волокна с помощью хорошо сфокусированной оптики, осуществляющей передачу распределения мощности излучения по торцу волокна на площадку фотодиода. Результаты измерений с малыми погрешностями получаются только при использовании высококаче- ственной оптической системы, при наличии хорошо обработанных и плоских торцов у исследуемого волокна и применении детекторов с большим динамическим диапазоном. Данный метод позволяет определять и геометрические параметры волокна, в частности диаметр и неконцентричность сердцевины.

Третий метод измерения диаметра модового поля — метод поперечного смещения — основан на измерении мощности излучения, выходящего из двух последовательно соединенных одномодовых волокон при их взаимном радиальном смещении в месте соединения. Размер модового пятна определяется по уровню 1/e2 функции передачи мощности излучения в зависимости от смещения. Максимальное значение проходящая световая мощность имеет при соосном расположении волокон.

Отличительной особенностью данного метода является его простота при точности измерения, не уступающей другим методам. В отличие от предыдущего, данный метод не позволяет определять геометрические параметры волокна.

4 8

5. Измерение длины волны отсечки одномодовых волокон

В оптическом волноводе могут распространяться два типа волн: симметричные Ånm è Hnm, у которых наряду с двумя поперечными имеется по одной продольной составляющей, и несимметричные волны, имеющие одновременно по две продольные составляющие, одна из которых ÅHnm с преобладанием электрической составляющей, другая HÅnm с преобладанием магнитной составляющей. Индекс n здесь означает число перемен знака в поперечном распределении поля вдоль угловой координаты, индекс m — вдоль радиуса. Следует отметить, связывая электромагнитную теорию с лучевой теорией, что симметричные волны соответствуют меридианным лучам, а несимметричные — косым лучам.

Область существования каждой моды зависит от нормированной частоты оптического световода ν:

ãäå R — радиус сердцевины; NA — числовая апертура; λ — длина распространяющейся световой волны.

Так как для оптических волокон радиус R сердцевины, показатели преломления сердцевины nc и оболочки nu имеют постоянные значения, область изменений нормированной частоты определяется изменением длины волны λ.

Среди направляемых мод особое положение занимает мода HE11, у которой критическое значение нормированной частоты ν11 = 0. Это основная (фундаментальная) мода ступенчатого оптического волокна, так как она распространяется при любой частоте света и любых структурных параметрах волокна. С точки зрения геометрической оптики мода HE11 образуется лучом, вводимым вдоль оси волокна, так как только характеристики такого луча не зависят от условий отражения на границе «сердцевина — оболочка». Именно при работе на